墙壁-屋顶式太阳能烟囱实验装置

摘要

墙壁—屋顶式太阳能烟囱实验装置，涉及太阳能烟囱和自然通风领域。其包括模型房间(10)和太阳能烟囱，模型房间(10)的一侧开口与太阳能烟囱的通道相连，另一侧开有空气进气口(24)，内置有发烟装置(9)；所述的太阳能烟囱由竖直段管段和倾斜段管段构成；所述的竖直段管段由竖直段加热壁(6)、竖直段侧壁(7)、法兰槽(8)以及可移动壁(11)构成，竖直段加热壁(6)两侧固接有竖直段侧壁(7)；两侧竖直段侧壁(7)相对面上上设有(3)个法兰槽(8)，可移动壁(11)插入三个法兰槽的任意一个，构成无横断面的封闭烟囱环境。本装置设置宽度调节装置来调节太阳能烟囱宽度，从而可模拟不同宽度下太阳能烟囱的通风效果。

说明书

技术领域

本发明设计一种太阳能烟囱实验装置，尤其是涉及墙壁-屋顶式太阳能烟囱实验装置，可以通过改变结构尺寸、角度和热流大小来分析太阳能烟囱的流场、速度场和温度场的影响的装置，本发明涉及太阳能烟囱和自然通风领域。 

背景技术

太阳能烟囱是通过吸收太阳辐射热来增大烟囱内外温差、增加浮力效应，最终实现增加室内通风风量以降低室温目的的结构装置。 

太阳能烟囱实验研究开始于20世纪50年代，国内外研究者对太阳能烟囱进行了大量实验和数值模拟研究。目前研究较多的太阳能烟囱结构形式有：Trombe墙体式结构，竖直集热板屋顶式结构，倾斜集热板屋顶式结构，墙壁-屋顶式的太阳能烟囱结构等。目前，国内外研究者对研究主要集中于Trombe墙体式结构，竖直集热板屋顶式结构，倾斜集热板屋顶式结构太阳能烟囱形式。 

研究太阳能烟囱研究特性主要采用理论分析、数值模拟方法和实验研究的方法。 

在理论分析方面，Ong等(2003)对Trombe墙体式结构进行研究，在忽略玻璃盖板和集热墙的导热热阻的基础上，建立了一个由玻璃盖板、集热墙和烟囱内的空气的热平衡方程。翟晓强，王如竹(2010)用集总参数法推导出了求解Trombe墙式太阳能烟囱诱导的空气质量 流量公式，并针对几种不同情况进行了分析比较。Aboulnaga(2006)采用理论分析方法研究屋顶式结构太阳能烟囱诱导空气量。 

数值模拟手段在太阳能烟囱研究中得到广泛应用，王丽萍等人(2003)赵平歌(2004)对Trombe墙体式太阳能烟囱，孙蒙(2006)等对竖直集热板屋顶式太阳能烟囱采用数值模拟太阳能烟囱强化自然通风，研究计算结果表明影响房间通风效果的主要是太阳能辐射能量、环境温度及烟囱截面高度。 

总体来看，有关太阳能烟囱理论分析主要是围绕Trombe墙体式太阳能烟囱展开，研究采用了很多简化假设，只是在一定前提条件下适用。随着计算机技术发展，数值模拟技术被普遍采用，但是数值模拟的结果准确性必须用实验数据来验证。因此，实验方法是研究太阳能烟囱特性并且将结构用于工程实际的重要手段。 

有关太阳能烟囱的实验研究，主要包括盐水模拟实验法、气体模拟法和水模型系统法、比例模型实验方法、全尺寸试验方法、示踪气体法以及氢气泡方法。 

盐水模拟法目前已经被广泛的接受，并且应用于很多的研究方面。但是它的缺点是需要比较大的蓄水池而且必须不断的补充盐水，而且必须倒转建筑模型，实验装置比较复杂。而气体模拟法和水模型系统可以准确的模拟自然通风的情况，但是在模拟时需要使各相似因素符合实际情况，这在实际情况下是很难达到的。 

在实验研究方面，针对Trombe墙体式结构太阳能烟囱，Bouchair(1994)在实验室条件下对一个全尺寸的烟囱进行了非常完备的研 究。荆海威(2005)、郝彩侠(2006)采用对高度为2000mm，长度为1000的竖直集热板屋顶式太阳能烟囱进行实验研究。 

关于倾斜集热板屋顶式结构太阳能烟囱，Chen等人(2003)研究倾斜集热板屋顶式结构太阳能烟囱，观察了在在四个不同烟囱倾角和五个不同热流密度时的太阳烟囱热性能。Lelan(2003)采用实验和CFD模拟手段进行研究。Ramadan Bassiouny等人(2008)对太阳能烟囱的倾斜角度与通风效果的关系进行了理论分析研究。 

关于墙壁-屋顶式太阳能烟囱，Aboulnaga(2006)采用理论分析方法研究墙壁-屋顶式结构太阳能烟囱诱导空气量。杨启容(2010)针对广州地区的二层别墅，在其南外墙和南向屋顶设置竖直和沿屋顶倾斜的串联太阳能烟囱，并对其通风性能进行了研究。 

Spencer(2001)，端木祥玲(2007)利用气泡技术模拟竖直集热板式太阳能烟囱和Trombe墙体式太阳能烟囱的热性能，得到了烟囱进口和高度的关系。但该方法的缺点是不能模拟建筑热特性对自然通风的影响。 

综合已经发表研究成果可以发现，目前研究主要集中在Trombe墙体式结构太阳能烟囱，竖直集热板屋顶式以及倾斜集热板屋顶式屋顶式烟囱。另外目前的研究多集中于如何提高太阳辐射热的吸收以及对流换热特性的研究，而对于烟囱本身的优化设计研究较少，而且能够用于工程设计的资料不多，因此有必要对进行深入细致的研究。 

虽然已有研究(翟晓强，王如竹，2003年，Aboulnaga，2006年)表明，墙壁-屋顶式太阳能烟囱能够大大提高自然通风量。但是缺乏 相关的实验研究数据。因此，需要搭建比例模型实验台或者全尺寸实验台，开展墙壁-屋顶式太阳能烟囱通风效果研究。研究“墙壁-屋顶”式太阳能烟囱的结构尺寸、倾斜度和热流大小对太阳能烟囱的流场、速度场和温度场的影响情况。 

目前，国内的有关太阳能烟囱的专利集中在太阳能烟囱设备【申请号：94190117.3】，太阳能集热器【申请号：200110092150.4】发电等，主要目的利用加热气流做有用功，用于太阳能热交换，并提供将太阳能转换为电能方法。目前还没有出现“墙壁-屋顶”式太阳能烟囱装置的相关专利。 

发明内容

为了解决墙壁-屋顶式太阳能烟囱的相关实验研究数据缺乏的问题，提供一种方便灵活的墙壁-屋顶式太阳能烟囱实验装置，将竖直集热板屋顶式结构太阳能烟囱与倾斜集热板屋顶式结构太阳能烟囱结合起来，填补了现有实验装置无法研究墙壁-屋顶式太阳能烟囱的空白。其可以用于研究墙壁-屋顶式太阳能烟囱的结构尺寸、倾斜度和热流大小对太阳能烟囱的流场、速度场和温度场的影响情况。 

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案： 

墙壁-屋顶式太阳能烟囱实验装置，其包括模型房间10和太阳能烟囱，模型房间10的一侧开口与太阳能烟囱的通道相连，另一侧开有空气进气口24，内置有发烟装置9；所述的太阳能烟囱由竖直段管段和倾斜段管段构成；所述的竖直段管段由竖直段加热壁6、竖直 段侧壁7、法兰槽8以及可移动壁11构成，竖直段加热壁6两侧固接有竖直段侧壁7；两侧竖直段侧壁7相对面上设有3个法兰槽8，可移动壁11插入三个法兰槽的任意一个，构成无横断面的封闭烟囱环境；竖直段加热壁6由铝板13、热电偶14、加热板15、聚乙烯泡沫16构成，铝板13上附着集热版板15，加热板15上均匀设置有热电偶14，加热板表面再布置聚乙烯泡沫16，聚乙烯泡沫16位于烟囱外侧；所述的倾斜管段由倾斜段加热壁1、倾斜段侧壁2、法兰槽8、可移动壁11构成；倾斜管段构成方式与组成材料与竖直管段相同，即倾斜段加热壁1两侧固接有倾斜段侧壁2；两侧倾斜段侧壁2相对面上设有3个法兰槽8，可移动壁11插入三个法兰槽的任意一个，构成无横断面的封闭烟囱环境；倾斜段加热壁1由铝板13、热电偶14、加热板15、聚乙烯泡沫16构成，铝板13上附着集热板15，加热板15上均匀设置有热电偶14，加热板表面再布置聚乙烯泡沫16，聚乙烯泡沫16位于烟囱外侧；倾斜段通过后支撑架3固定在模型房间10上；两段烟囱的侧壁通过的扇形件4进行连接，两块加热壁用一块绝热的防火布5密封连接，通过更换扇形件4的角度与调整后支撑架的长度来调节倾斜管段的角度。 

所述的模型房间10由透明墙壁围成。 

所述的法兰槽8槽口与移动壁11厚度相同，倾斜管段与竖直管段安装好后，两个管段的法兰槽口正好对接。 

所述插入竖直段管段和倾斜段管段的可移动壁11为一个整体的“L”形；所述的可移动壁11从倾斜管段的法兰槽口插入，可直接插 至竖直管段的法兰槽末端；更换烟囱宽度时，将移动壁从原法兰槽中抽出插入所需法兰槽。 

所述的扇形件4的角度包括30°，45°，60°。 

所述的竖直段热电偶14与电源17、滑动变阻器18、电压表19、电流表20相连，滑动变阻器18、电压表19、电流表20采用外接的方式接入，置于模型房间10外部。与倾斜段热电偶14相连的滑动变阻器II 21、电压表II 22、电流表II 23也置模型房间10外部。通过调整滑动变阻器18来调整通过电路中电流的大小，控制热电偶的发热量。 

与现有相关技术比较，本实验装置具有以下优点： 

1、本装置将通过设置倾斜段和竖直段太阳能烟囱并进行整合，能够模拟真实壁面-屋顶一体化太阳能烟囱结构的空气流动情况。 

2、本装置在竖直段和倾斜段两段烟囱的侧壁通过一个夹角α(30°、45°和60°)的扇形件进行连接，通过采用不同弧度扇形件来调节角度，从而可模拟不同角度下太阳能烟囱的通风情况。 

3、本装置设置宽度调节装置来调节太阳能烟囱宽度，从而可模拟不同宽度下太阳能烟囱的通风效果。 

4、本装置可通过热流密度调节装置来调节热流密度，从而可模拟不同入射角度、不同纬度地区、不同气候条件下太阳能烟囱的表面得到热流密度情况，进而研究下不同工况下太阳能烟囱的通风效果。 

5、本装置能够模拟实验范围大。根据需求可以对于不同的角度、宽度以及热流密度进行相互组合。组合成为不同的实验环境，进行实 验模拟。 

附图说明

图1实验装置示意图； 

图2实验装置剖面图 

图3竖直段烟囱结构图； 

图4加热壁结构示意图； 

图5竖直面电加热壁的连接方式； 

图6倾斜面电加热壁的连接方式； 

图7竖直面内侧热电偶的布置图； 

图8倾斜面内侧热电偶的布置图； 

图中：1、倾斜段加热壁，2、倾斜段侧壁，3、后支撑架，4、扇形件，5、防火布，6、竖直段加热壁，7、竖直段侧壁，8、法兰槽，9、发烟装置，10、模型房间，11、可移动壁，12、烟囱进口，13、铝板，14、热电偶，15、加热板，16、聚乙烯泡沫，17、电源，18、滑动变阻器，19、电压表，20、电流表，21、滑动变阻器II，22、电压表II，23、电流表II，24、空气进气口。 

具体实施方式

实验台实施方式通过三个具体实施例来说明： 

实施例一：模拟倾斜面倾斜角度对太阳能烟囱内部速度场、温度场和自然通风量的影响。 

如图1所示，实验台箱体长1m，宽1m，高1.1m，太阳能烟囱由倾斜段和竖直段两段连接而成，每段烟囱由两块侧壁(倾斜段侧壁2和竖直段侧壁7)、一块加热壁(倾斜段加热壁1和竖直段加热壁6)和一块移动壁面11组成，其中倾斜面高度0.5m，竖直面高度1m，长度均为1m；烟囱进口12长度1m，宽度0.1m。两段烟囱的侧壁分别通过一个夹角α(30°、45°和60°)的扇形件4进行连接，两块加热壁用一块绝热的防火布5密封连接，移动壁11为一整块薄铝板，沿着侧壁的法兰槽8插入，将两段烟囱连在一起。通过改变移动壁的位置来改变烟囱宽度(0.1m、0.2m和0.3m)。 

本实验台利用加热壁上的电热板(如图3所示)分别提供竖直加热壁面所需要的定热流q₁，倾斜加热壁面所需的定热流q₂，加热板的布置如图4、图5所示，在电源处添加一个可调自耦变压器(滑动变阻器18和滑动变阻器II 21)，通过改变电源电压来改变加热板热流密度，电压和电流的大小通过相应仪表(电压表19、电流表20、电压表II 22、电流表II 23)进行测量。本实验台通过将热点偶14粘在铝板13上来测量加热壁面的温度，其测点的布置如图6、图7所示，热点偶的导线沿着侧壁面引出，和数据采集仪相连。另外在加热板的后面在中线上等间距布置三个热电偶，以用来估计损失的热量。通道内空间点温度的测量，是将八个热电偶安排在一根铁丝上，这样一次可同时测量八个点。速度的测量使用热线风速仪对烟囱内对应的位置进行一一测量。 

根据所需模拟的场景，通过确定移动壁11所处的法兰槽8的位 置，设定好所需烟囱宽度；通过调节变阻器18设定好竖直加热壁面6的热流密度；通过调节变阻器21设定好倾斜加热壁面1的热流密度。将30°扇形件4安装入实验装置，连接竖直壁与倾斜壁。并相应调节支撑架3，使其紧密连接。 

将发烟装置9放置在试验箱体10正中。将热电偶13与温度采集仪器相连接，将风速测量装置放置在所需测量位置(一般为风道内各状态点)，最后接通电源17开始对实验装置内空气进行加热并开始温度和风速的测量，待风速和温度达到相对稳定两分钟后切断电源关闭发烟装置9，待装置内烟气完全排出且装置内工况恢复到初始状态后，更换扇形件4为45°以及60°，重复上述过程。 

实施例二：模拟不同宽度对太阳能烟囱内部速度场、温度场和自然通风量的影响。所用装置的结构与实施例1中装置的结构相同。 

根据所需模拟的场景，通过调节变阻器18设定好竖直加热壁面6的热流密度；通过调节变阻器21设定好倾斜加热壁面1的热流密度；通过确定扇形件4的尺寸，设定好倾斜面倾斜尺寸。将移动壁11安装在法兰槽8一号槽口的位置，完成烟囱宽度的设定。 

将发烟装置9放置在试验箱体10正中。将热电偶13与温度采集仪器相连接，将风速测量装置放置在所需测量位置(一般为风道内各状态点)，最后接通电源17开始对实验装置内空气进行加热并开始温度和风速的测量，待风速和温度达到相对稳定两分钟后切断电源关闭发烟装置9，待装置内烟气完全排出且装置内工况恢复到初始状态后，改变移动壁11所处法兰槽8的位置，重复上述过程，本实验装 置设有三个槽口，分别对应烟囱宽度的0.1m、0.2m和0.3m。 

实施例三：模拟不同热流密度对太阳能烟囱内部速度场、温度场和自然通风量的影响。所用装置的结构与实施例1中装置的结构相同。 

根据所需模拟的场景，通过确定扇形件4的尺寸，设定好倾斜面倾斜尺寸；通过确定移动壁11所处的法兰槽8的位置，设定好所需烟囱宽度。

根据所需要测量的热流密度调节烟囱内电加热板的连接方法(如图4、图5所示)以达到粗略的加热功率。调节外电路的滑动变阻器18、21的阻值以达到更为精确的加热功率设定。 

将发烟装置9放置在试验箱体10正中。将热电偶13与温度采集仪器相连接，将风速测量装置放置在所需测量位置(一般为风道内各状态点)，最后接通电源17开始对实验装置内空气进行加热并开始温度和风速的测量，待风速和温度达到相对稳定两分钟后切断电源关闭发烟装置9，待装置内烟气完全排出且装置内工况恢复到初始状态后，改变烟囱内电加热板的连接方式或者滑动变阻器18、21的阻值从而改变热流密度，重复上述过程。